邢 晉，張建軍

（古交西山發(fā)電有限公司，山西 古交 030206）

0 引言

某火電廠為2×660 MW超超臨界直接空冷發(fā)電機組，同時配套以礦井疏干水為水源的原水預處理系統(tǒng)，采用石灰混凝+機械澄清+變空隙過濾的處理工藝，處理合格后的清水作為鍋爐補給水（除鹽水處理）、開式循環(huán)水和生產(chǎn)循環(huán)水等系統(tǒng)的水源，礦井疏干水分別由A、B、C、D 4個礦提供，各個礦的水質(zhì)指標相近，原水中各礦井疏干水的占比分別為35%、30%、30%和5%。該原水預處理系統(tǒng)投運以來，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)清水系統(tǒng)的用戶設備（如加熱器、管道、儲水箱和水泵）出現(xiàn)不同程度的腐蝕泄漏，其材質(zhì)分別為Q235B和20，采用超聲波測厚儀對管道壁厚測量，發(fā)現(xiàn)不同程度的減薄現(xiàn)象，平均減薄速率為1 mm/年。

本文結(jié)合Larson指數(shù)、Langerlier（LSI）指數(shù)和失重法（掛片），研究礦井疏干水和清水對碳鋼材質(zhì)（Q235B 和20）的腐蝕影響，通過優(yōu)化水質(zhì)參數(shù)控制清水的腐蝕性，找出碳鋼腐蝕速率與全堿度的關系式，對設備運行維護具有指導意義。

1 原水預處理設備的腐蝕原因

1.1 水質(zhì)類型分析

該廠原水預處理系統(tǒng)工藝流程見圖1。為了分析原水預處理系統(tǒng)水質(zhì)（原水、機械澄清池產(chǎn)水、清水）的腐蝕和結(jié)垢傾向，從原水車間不同位置取水樣進行水質(zhì)分析（見表1），以管道表面是否有碳酸鈣析出作為是否腐蝕的判斷依據(jù)，并采用Larson 和Langerlier指數(shù)分析水質(zhì)的腐蝕性。Larson指數(shù)增加，水的腐蝕性顯著增加，原水和清水的Larson指數(shù)見表2。

圖1 原水預處理系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow of pretreatment system of crude water

表1 原水預處理系統(tǒng)水質(zhì)分析Tab.1 Water quality analysis of pretreatment system of crude water

表2 原水和清水的Larson指數(shù)Tab.2 Larson index of crude water and clear water

Langerlier( LI)指數(shù)是根據(jù)碳酸鹽在水中達到飽和狀態(tài)時的平衡關系判斷CaCO3在水中是否析出，適用于碳鋼材質(zhì)[19]。當LI＜0，CaCO3可以溶解，金屬鈍化膜破壞，金屬腐蝕。

原水LI指數(shù)為0.67，說明原水有碳酸鈣沉積的傾向，而清水的LI指數(shù)為-0.68，說明清水具有一定的腐蝕性。水質(zhì)的腐蝕性與溫度、鈣硬度和總?cè)芙夤腆w濃度有關，堿度和Ca2+質(zhì)量濃度越低，環(huán)境溫度越高，水質(zhì)的腐蝕性越強。

1.2 現(xiàn)場掛片腐蝕試驗

通過現(xiàn)場掛片試驗研究管道腐蝕情況，在生產(chǎn)循環(huán)水管道安裝旁路動態(tài)掛片裝置（見圖2），掛片材質(zhì)為Q235B，試驗流速為1.0 m/s（根據(jù)現(xiàn)場管道實際流量及管徑計算得出），掛片時間為30天，腐蝕速率按式（2）計算。

圖2 現(xiàn)場旁路動態(tài)掛片裝置Fig.2 On-site bypass dynamic coupon device

式中：V 為腐蝕速率，mm/年；K 為所采用的單位常數(shù)；W1為掛片未腐蝕前的質(zhì)量，mg；W2為掛片經(jīng)過腐蝕并除去表面產(chǎn)物后的質(zhì)量，mg；F為掛片暴露在水中的表面積，cm2；t為掛片受腐蝕的時間，年；γ 為金屬的密度，g/cm3。

1.3 實驗室掛片腐蝕試驗

實驗室旋轉(zhuǎn)掛片裝置見圖3，試驗溫度為25 ℃，掛片旋轉(zhuǎn)線速度0.35 m/s，試液體積與掛片面積比為50 mL/cm2，試驗周期72 h，掛片腐蝕速率按照公式（2）計算。

圖3 實驗室旋轉(zhuǎn)掛片裝置Fig.3 Rotary coupon device in the laboratory

從兩個清水池分別取1 L 水樣倒入2 L 燒杯中混合，通過攪拌裝置進行攪拌，先分別加入不同劑量的石灰粉，快速攪拌2 min；然后再加入質(zhì)量濃度為50 mg/L的聚合硫酸鐵，慢速攪拌1 min；最后加入質(zhì)量濃度為0.3 mg/L的助凝劑，慢速攪拌4 min后停止攪拌，并靜置30 min，取上部清液過濾，測定濾液的pH值堿度和腐蝕速率，結(jié)果見表3。

表3 不同劑量的石灰粉條件下的水樣參數(shù)Tab.3 Water sample parameters under different doses of lime powder

2 試驗結(jié)果及水質(zhì)分析

2.1 現(xiàn)場掛片腐蝕分析

試驗結(jié)果表明，在現(xiàn)場掛片器流速為1.0 m/s時，Q235B掛片的平均腐蝕速率為0.99 mm/年，根據(jù)JB/T 7901—2001《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》，目前清水管道腐蝕屬于嚴重等級[20]。對現(xiàn)場掛片腐蝕產(chǎn)物進行取樣和成分分析，其主要成分為α-FeOOH、Fe3O4、Fe2O3等，與現(xiàn)場管道設備的腐蝕產(chǎn)物基本一致，根據(jù)公式（1），在保證原水細菌不超標的情況下，停止添加殺菌劑NaClO 可以降低原水中Cl-的濃度，從而降低水質(zhì)的腐蝕性。

2.2 試驗掛片腐蝕分析

Q235B 腐蝕速率隨水樣堿度變化趨勢見圖4，水樣全堿度越高，掛片表面附著物中的CaCO3占比越高，可以有效阻止溶解氧擴散到金屬表面，管道腐蝕速率越低，擬合得出Q235B腐蝕速率與水樣全堿度的關系方程式為V=-0.305lnX+0.798。目前清水池的全堿度為0.3 mmol/L，以此推算，清水的腐蝕速率是原水的3倍以上。

圖4 Q235B腐蝕速率隨水樣堿度變化趨勢Fig.4 Variation trend of Q235B corrosion rate with water sample alkalinity

3 原水預處理水質(zhì)優(yōu)化

目前管道防腐的方法主要有添加緩蝕劑、陰極保護、刷涂防腐層和調(diào)整水質(zhì)，根據(jù)原水預處理系統(tǒng)運行狀況和防腐成本計算，可以通過減少石灰粉加藥量，提高水質(zhì)的堿度，減緩設備的腐蝕速率。

3.1 實驗室動態(tài)模擬水質(zhì)優(yōu)化

通過實驗室動態(tài)模擬試驗裝置（圖5），研究水質(zhì)的全堿度對管道（材質(zhì)為Q235B 和20）腐蝕速率的影響，試驗分為3組：經(jīng)過石灰混凝澄清處理的原水，全堿度為0.27 mmol/L；經(jīng)過石灰混凝澄清處理的原水，全堿度為2.00 mmol/L；未經(jīng)處理的原水，全堿度為4.66 mmol/L。試驗條件為常溫25 ℃，流速為1.0 m/s，時間為7天。

圖5 實驗室動態(tài)模擬試驗裝置Fig.5 Dynamic simulation device of water corrosion property in laboratory

碳鋼（Q235B 和20）掛片試驗的腐蝕速率見圖6。與全堿度為0.27 mmol/L 的第1 組試驗相比，提高水樣全堿度至2.0 mmol/L 時，Q235B 腐蝕速率下降了63%；提高水樣全堿度至4.66 mmol/L 時，Q235B腐蝕速率下降了88.4%。

圖6 碳鋼掛片試驗的腐蝕速率Fig.6 Trend of corrosion rate of different material in the different alkalinity

3.2 原水預處理系統(tǒng)水質(zhì)優(yōu)化

為了控制清水的全堿度在2.0～3.0 mmol/L、pH值在8.0～8.2，將石灰粉的加藥量由300 mg/L調(diào)整為160 mg/L，相應聚合硫酸鐵加藥量由220 mg/L 調(diào)整為120 mg/L，同時停止添加濃硫酸。水質(zhì)優(yōu)化后，對生產(chǎn)循環(huán)水旁路動態(tài)掛片器進行材質(zhì)Q235B 和20的腐蝕速率監(jiān)測，結(jié)果見表4。

表4 原水預處理優(yōu)化前后Q235B和20的腐蝕速率Tab.4 Corrosion rate of Q235B and 20 before and after the optimization of crude water pretreatment mm/年

4 結(jié)論

隨著國家環(huán)境保護要求日益嚴峻，大型坑口火力發(fā)電廠大多采用以礦井疏干水為水源的石灰混凝的預處理系統(tǒng)，而處理后的清水對管道設備具有一定的腐蝕性，通過控制其全堿度和pH值，碳鋼管道腐蝕速率減緩80%以上，同時可以節(jié)約藥品成本。

（2）水質(zhì)全堿度對設備腐蝕有較大影響，全堿度越低，管道的腐蝕速率越高，礦井疏干水經(jīng)過石灰混凝澄清處理后，全堿度大幅度降低，水的腐蝕性大幅度增強，而推流溝加入濃硫酸后，水的全堿度進一步降低，其腐蝕性也進一步增強。

（3）水樣全堿度為0.27 mmol/L時，材質(zhì)Q235B和20的腐蝕速率分別為1.028 5 mm/年和1.014 7 mm/年，材質(zhì)20的耐腐蝕性能比材質(zhì)Q235B稍好，但差別不大。